徐艷陽(yáng)，李雪鳳

（吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)春 130062）

生姜（Zingiber officinaleRosc.）是姜科姜屬多年生草本植物，主要分布于亞洲，而我國(guó)是世界上生姜種植面積最大且產(chǎn)量最多的國(guó)家[1]。生姜作為一種藥食同源的新鮮根莖，含有多種功能成分，如多酚類(lèi)化合物、黃酮類(lèi)化合物、姜辣素、揮發(fā)油等[2-4]，具有抗氧化、降血脂、抗炎、抗腫瘤、抗菌等多種生物學(xué)和藥理特性[5-8]。然而，生姜在加工和貯藏過(guò)程中非常容易出現(xiàn)褐變、失水及組織軟化等問(wèn)題，使其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及食用品質(zhì)降低，甚至導(dǎo)致霉變，無(wú)法長(zhǎng)期貯藏[9]。

隨著人們對(duì)鮮切果蔬需求的日益增長(zhǎng)，近年來(lái)非熱殺菌技術(shù)成為食品殺菌研究的熱點(diǎn)。目前主要的非熱殺菌技術(shù)包括超高壓處理、輻照、超聲波、紫外線、臭氧、高壓脈沖電場(chǎng)等[10]，其中最大的超高壓設(shè)備可以容納600 L 物料，不能滿足大型工業(yè)化、大批量的生產(chǎn)需求，而且其容器壁需要采用較厚的鋼作為材料，來(lái)滿足承受壓力的需求，因此設(shè)備質(zhì)量以及所占空間較大[11]；脈沖電場(chǎng)技術(shù)因處理過(guò)程中電極與食品直接接觸，易發(fā)生二次污染[12]；輻照技術(shù)的基本建設(shè)投資大，且對(duì)操作人員的要求更嚴(yán)格。為滿足消費(fèi)者對(duì)食品新鮮度和安全性的更高需求，尤其是生鮮及熱敏性食品，研發(fā)新型的冷殺菌技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。

與傳統(tǒng)的熱殺菌相比，低溫等離子體處理作為一種新興的非熱加工技術(shù)，對(duì)細(xì)菌、真菌及抗逆性較強(qiáng)的生物膜[13]表現(xiàn)出優(yōu)良的殺菌效果，并且能更好地保留果蔬的新鮮度、營(yíng)養(yǎng)及品質(zhì)。有研究表明，低溫等離子體技術(shù)可用于農(nóng)產(chǎn)品的殺菌保鮮，多酚類(lèi)化合物的輔助提取[14]，輔助提高干燥速率，真菌毒素的降解[17]等方面。此外，低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用于全谷物食品可以減少其蒸煮時(shí)間、淀粉變性，促進(jìn)萌芽[18]；并降解農(nóng)藥殘留等[19]。

Zhang 等[20]研究發(fā)現(xiàn)大氣冷等離子體處理鮮切梨表面的微生物時(shí)，對(duì)嗜溫需氧菌、酵母和霉菌有較好的抑制作用，并延長(zhǎng)了鮮切梨的貨架期。王卓等[21]利用介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體處理“燦爛”藍(lán)莓，在45 kV 電壓下作用50 s，能顯著抑制藍(lán)莓的腐爛。Tappi 等[22]使用介質(zhì)阻擋放電發(fā)生器在鮮切甜瓜兩側(cè)分別處理15 min 和30 min，發(fā)現(xiàn)該處理對(duì)鮮切甜瓜品質(zhì)的影響很小，并顯著延長(zhǎng)貨架期。Lee 等[23]發(fā)現(xiàn)在處理功率400 W 和處理時(shí)間10 min 時(shí)，生菜上的單核細(xì)胞增生李斯特菌含量下降了（1.8±0.2）lg（CFU/g）。Lacombe 等[24]使用低溫等離子體處理藍(lán)莓15，30，45，60，90，120 s，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，第1 天和第7 天霉菌和酵母的數(shù)量降低幅度分別為0.8～1.6 lg（CFU/g）和1.5～2.0 lg（CFU/g）；這表明低溫等離子體在果蔬殺菌上具有一定的發(fā)展前景。

有研究表明等離子體處理可能對(duì)食品中的酚類(lèi)物質(zhì)產(chǎn)生影響。Li 等[25]利用介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體在45 kV 工作電壓下處理草莓1 min，在貯藏期間特別是在第1，3 天和5 天，總酚、花青素和類(lèi)黃酮的含量顯著增加。Li 等[26]用低溫等離子體處理鮮切火龍果發(fā)現(xiàn)在儲(chǔ)存期間酚類(lèi)的含量增加。Elez Garofulic等[27]發(fā)現(xiàn)常壓等離子體處理使櫻桃汁中的酚類(lèi)物質(zhì)含量提高，這可能是等離子體解離多酚的聚集體。然而，Charoux 等[28]發(fā)現(xiàn)等離子體處理和未處理的黑胡椒總酚含量無(wú)顯著性差異；Amini 等[29]發(fā)現(xiàn)對(duì)鮮核桃和干核桃進(jìn)行等離子體噴射處理11 min，其總酚含量和抗氧化活性與未處理組相比無(wú)顯著性差異。這可能是由于等離子體處理對(duì)未切割食品和加工食品中的酚類(lèi)化合物影響較小[30]。

目前未見(jiàn)等離子體技術(shù)在生姜處理方面的研究報(bào)道。本文利用低溫等離子體技術(shù)對(duì)生姜切片進(jìn)行前處理，探討對(duì)生姜切片表面微生物的殺菌效果以及對(duì)其品質(zhì)的影響，為低溫等離子體技術(shù)在果蔬類(lèi)農(nóng)產(chǎn)品的殺菌保鮮應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與儀器

1.1 材料與試劑

1.1.1 原料 生姜產(chǎn)于山東濰坊昌邑，購(gòu)自長(zhǎng)春市歐亞超市。

1.1.2 試劑 胰蛋白胨（生物純級(jí)）、酵母浸粉（生物純級(jí)），北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；沒(méi)食子酸（分析純級(jí)）、硫酸鋰（分析純級(jí)），天津市華東試劑廠；鉬酸鈉（分析純級(jí)），天津市福晨化學(xué)試劑廠；鎢酸鈉（分析純級(jí)），天津市化學(xué)試劑四廠；無(wú)水碳酸鈉、亞硝酸鈉、硝酸鋁、抗壞血酸（均為分析純級(jí)），北京化工廠；香草醛，上海惠世生化試劑有限公司；1，1-二苯基-2 苦基肼（HPLC≥98%），上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SY-DT02S 低溫等離子體處理儀，蘇州市奧普斯等離子體科技有限公司；UV-4802 紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，尤尼科（上海）儀器有限公司；VOSHIN-800R 無(wú)菌均質(zhì)器，無(wú)錫沃信儀器有限公司；DK-98-II 電熱恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司；SW-CJ-1FD 潔凈工作臺(tái)，蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；BXM-30R 立式壓力蒸汽滅菌鍋、HFP-9227 數(shù)顯電熱培養(yǎng)箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；CR-400 色差計(jì)，深圳市三恩時(shí)科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 菌落計(jì)數(shù)的方法 按照GB/T4789.2-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測(cè)定》[31]檢測(cè)姜片表面菌落總數(shù)，并計(jì)算其殺菌率，即：

式中，Y——樣品的殺菌率，%；N0——低溫等離子體處理前樣品的菌落數(shù)，CFU/g；N1——處理后樣品的菌落數(shù)，CFU/g。

1.3.2 菌懸液的制備 稱取25 g 生姜置于盛有225 mL 磷酸鹽緩沖溶液的無(wú)菌均質(zhì)袋中，然后均質(zhì)2 min，制成1∶10 樣品勻液。吸取2 mL 樣品勻液于200 mL 液體培養(yǎng)基中，在36 ℃振蕩培養(yǎng)48 h，制備濃度為8～9 lg（CFU/mL）菌懸液。

1.3.3 樣品的制備及處理 先用自來(lái)水清洗生姜表面的泥土，然后切成1.5～2.0 mm 姜片。將1.3.2節(jié)制備的菌懸液稀釋10 倍后，按照料液比1∶5，把生姜片浸入其中，30 min 后取出、瀝干，備用。

1.3.4 低溫等離子體處理的工藝流程 低溫等離子體處理的工藝流程如下：設(shè)定處理參數(shù)→放樣品于處理腔→開(kāi)啟真空泵（待真空度降至100 Pa以下）→開(kāi)啟放電電源。

1.3.5 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 選擇放電電源功率和處理時(shí)間兩個(gè)因素進(jìn)行考察。每次稱取染菌的姜片10 g，設(shè)置放電電源功率分別為100，200，300，400，500，600 W，處理時(shí)間為3 min，研究放電電源功率對(duì)鮮切姜片表面微生物殺菌率的影響；設(shè)置低溫等離子體處理時(shí)間分別為1，2，3，4，5，6 min，放電電源功率為400 W，研究低溫等離子體處理時(shí)間對(duì)鮮切姜片表面微生物殺菌率的影響。

1.3.6 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)1.3.5 節(jié)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，確定放電電源功率（A）和處理時(shí)間（B）2 個(gè)因素水平進(jìn)行考察，以姜片表面微生物的殺菌率為響應(yīng)值，應(yīng)用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)（CCD）二因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，各因素及水平見(jiàn)表1。

表1 CCD 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素與水平Table 1 Design factors and level of CCD experiment

1.3.7 總多酚、總黃酮及姜辣素的提取及測(cè)定

1.3.7.1 總多酚、總黃酮及姜辣素的提取 稱取10.0 g 鮮切生姜，放入研缽中研磨，采用超聲波輔助乙醇提取[7]，將上清液作為樣品待測(cè)液，進(jìn)行生姜中總多酚、總黃酮及姜辣素的測(cè)定。

1.3.7.2 生姜中總多酚、總黃酮含量的測(cè)定 吸取1.3.7.1 節(jié)制備的待測(cè)液2 mL，加蒸餾水至10 mL，參考仇洋[32]的方法，進(jìn)行生姜中總多酚含量的測(cè)定，分別以沒(méi)食子酸的含量和吸光度為橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)，繪制沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線，回歸方程為y＝0.0105x+0.0383（R2=0.9987）?？偠喾雍恳詻](méi)食子酸質(zhì)量（μg）/生姜質(zhì)量（g）表示。

參考邢穎等[7]的方法進(jìn)行生姜中總黃酮含量的測(cè)定。

1.3.7.3 生姜中姜辣素含量的測(cè)定 吸取1 mL樣品待測(cè)液，加無(wú)水乙醇至10 mL，同時(shí)做空白，在波長(zhǎng)280 nm 處測(cè)其吸光度。分別以香草醛的質(zhì)量濃度（2～12 μg/mL）和吸光度為橫坐標(biāo)、為縱坐標(biāo)，繪制其標(biāo)準(zhǔn)曲線，回歸方程為y＝0.0671x-0.0079（R2=0.9994）。姜辣素含量的計(jì)算公式[33]如下：

式中，Y——姜辣素的含量，mg/g；2.003——香草醛與姜辣素之間的換算系數(shù)；C——香草醛的質(zhì)量濃度，μg/mL；N——提取液的稀釋倍數(shù)；V——提取液的的總體積，mL；M——生姜總質(zhì)量，g。

1.3.8 生姜抗氧化性的測(cè)定 參考文獻(xiàn)[34]中的方法進(jìn)行DPPH 清除率的測(cè)定。吸取1 mL 1.3.7.1節(jié)制備的樣品待測(cè)液，然后加入3 mL 0.1 mmol/L DPPH 溶液，在室溫下避光30 min，在波長(zhǎng)517 nm處測(cè)定其吸光度。同時(shí)作空白，以1 mg/mL VC 為對(duì)照。DPPH 自由基清除率計(jì)算公式如下：

式中，A0——1.0 mL 蒸餾水+3.0 mL DPPH 溶液的吸光度；AS——1.0 mL 樣品溶液+3.0 mL DPPH 溶液的吸光度；AC——1.0 mL 樣品溶液+3.0 mL 無(wú)水乙醇的吸光度。

1.3.9 顏色的測(cè)定 利用色差計(jì)測(cè)定生姜片的顏色，應(yīng)用參數(shù)有亮度值（L*）、紅度值（a*）和黃度值（b*）。等離子體處理姜片前、后的色差值 按如下公式計(jì)算：

式中，L*——亮度，L*=0 表示黑色，L*=100 表示白色；a*——紅綠度，a*＞0 表示紅度，相反則為綠度；b*——黃藍(lán)度，b*＞0 表示黃度，相反則為藍(lán)度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3 次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)以xˉ±s的形式表示。應(yīng)用SPSS 21.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的單因素方差分析；采用Design-Expert 10 軟件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析；應(yīng)用Origin 2021 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與分析

2.1.1 放電電源功率對(duì)姜片表面微生物殺菌效果的影響 如圖1所示，隨著放電電源功率的增大，姜片表面的微生物數(shù)量逐漸減少，殺菌率逐漸增大。在100～400 W 之間，菌落總數(shù)從6.47 lg（CFU/g）減小到5.66 lg（CFU/g），殺菌率從70.31%提高到95.38%，殺菌效果顯著（P＜0.05）。在400～600 W 之間，對(duì)姜片表面微生物的殺菌率趨于平緩（P＞0.05）。鑒于試驗(yàn)效果考慮，因此確定放電電源功率400 W 為進(jìn)一步優(yōu)化的零水平。

圖1 放電電源功率對(duì)姜片表面微生物殺菌效果的影響Fig.1 Effects of discharge power on microbial sterilization onginger slices surface

2.1.2 低溫等離子體處理時(shí)間對(duì)姜片表面微生物殺菌效果的影響 如圖2所示，隨著低溫等離子體處理時(shí)間的延長(zhǎng)，姜片表面的微生物數(shù)量呈下降的趨勢(shì)。在1～4 min 內(nèi)，姜片表面的微生物數(shù)量減少較快，殺菌率逐漸增大。在處理時(shí)間4 min時(shí)，菌落總數(shù)下降了1.72 lg（CFU/g），殺菌率為97.84%。4 min 之后，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，殺菌率的變化不顯著（P＞0.05），這與孫艷等[35]應(yīng)用低溫等離子體處理黃瓜切片的研究結(jié)果一致，即殺菌率隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)先上升后平緩。因此，確定低溫等離子體處理時(shí)間為4 min 為進(jìn)一步優(yōu)化的零水平。

圖2 低溫等離子體處理時(shí)間對(duì)姜片表面微生物殺菌效果的影響Fig.2 Effects of low temperature plasma treatment time on microbial sterilization on ginger slices surface

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)以上單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，確定放電電源功率、處理時(shí)間為自變量，殺菌率為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2 和3。

應(yīng)用Design-Expert 10 軟件對(duì)表2 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得殺菌率（Y）與低溫等離子體處理功率（A）和處理時(shí)間（B）之間的二次多項(xiàng)回歸方程為：

回歸方程（5）的決定系數(shù)R2為0.9858，說(shuō)明此方程擬合性較好。該模型的校正系數(shù)RAdj2為0.9756，表明此模型可解釋90%以上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變異性。由表2 和3 可知，該模型極顯著（P＜0.01），失擬項(xiàng)（P=0.0618＞0.05）不顯著，說(shuō)明在整個(gè)回歸區(qū)域的擬合情況良好，可以應(yīng)用該模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。放電電源功率（A）和處理時(shí)間（B）的一次項(xiàng)為極顯著（P＜0.01），說(shuō)明這兩個(gè)因素對(duì)生姜片表面微生物的殺菌效果極顯著。二次項(xiàng)（A2、B2）和交互項(xiàng)（AB）極顯著，表明放電電源功率（A）和處理時(shí)間（B）對(duì)生姜片表面菌落總數(shù)的殺菌率影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，根據(jù)F值可知，影響大小的次序?yàn)樘幚頃r(shí)間＞放電電源功率。

表2 CCD 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of CCD experiment

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model

由圖3 可知，低溫等離子體放電電源功率和處理時(shí)間的交互作用極顯著，在一定條件下，隨著放電電源功率的升高、處理時(shí)間的延長(zhǎng)，殺菌率逐漸增大。根據(jù)響應(yīng)面分析結(jié)果獲得低溫等離子體最佳殺菌處理?xiàng)l件為：放電電源功率400.779 W、處理時(shí)間4.582 min，低溫等離子體處理后的姜片表面微生物殺菌率的預(yù)測(cè)值為99.99%。根據(jù)低溫等離子體設(shè)備要求以及殺菌效果綜合考慮，將最佳殺菌條件調(diào)整為放電電源功率400 W、處理時(shí)間4.6 min。為驗(yàn)證回歸模型的可靠性，在最佳殺菌處理?xiàng)l件下進(jìn)行了3 次驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明生姜片表面微生物的殺菌率為99.89%，相對(duì)誤差為-0.10%，說(shuō)明驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果與模型擬合良好，利用響應(yīng)面法優(yōu)化設(shè)計(jì)低溫等離子體對(duì)生姜切片表面微生物殺菌具有可行性。

圖3 低溫等離子體放電電源功率和處理時(shí)間交互作用對(duì)殺菌率的影響Fig.3 Effects of interaction between low-temperature plasma discharge power and treatment timeonsterilization rate

2.3 低溫等離子體處理對(duì)生姜片中總多酚、總黃酮及姜辣素含量的影響

生姜切片經(jīng)低溫等離子體處理后的總多酚含量、總黃酮含量與未處理組無(wú)顯著性差異（P>0.05），與Bao 等[14]使用高壓低溫等離子體處理番茄渣后總酚含量的變化趨勢(shì)相同。與未處理組相比，生姜切片經(jīng)低溫等離子體處理后姜辣素的含量下降了35.18%（P<0.05），這可能是由于姜辣素易被氧化[33]，而等離子體的氧化能力很強(qiáng)，由于等離子體中·OH、NO·等活性自由基的存在[36]，導(dǎo)致姜辣素的氧化。此外，姜辣素屬于多酚類(lèi)化合物，從等離子體放電中解離的單線態(tài)氧可以與氧分子結(jié)合形成臭氧，臭氧可以攻擊酚類(lèi)的芳環(huán)結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致其降解。

表4 低溫等離子體處理前 后生姜片的總多酚、總黃酮及姜辣素含量（μg/g）Table 4 Content of total polyphenols，total flavonoids and gingerol in ginger slices before and after plasma treatment（μg/g）

2.4 低溫等離子體處理對(duì)生姜片抗氧化活性的影響

經(jīng)低溫等離子體處理后的生姜切片DPPH 自由基清除率比未處理組提高了65.32%，其機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

表5 姜片在低溫等離子體處理前、后的DPPH 自由基清除率Table 5 DPPH free radical scavenging rate of ginger slices before and after plasma treatment at low temperature

2.5 低溫等離子體處理對(duì)姜片色澤的影響

姜片經(jīng)低溫等離子體處理前后L*、a*、b*值如表6所示。

表6 姜片在低溫等離子體處理前、后的色差Table 6 Chromatic aberration of ginger slices before and after plasma treatment

經(jīng)低溫等離子體處理后的姜片與未處理的鮮姜片相比，其L*值無(wú)顯著性差異（P>0.05），a*值降低（P<0.05），b*值顯著增加（P<0.05），即低溫等離子體處理提高了姜片的亮度，顏色偏向綠、黃。同時(shí)有文獻(xiàn)研究表明生姜在貯藏期間的亮度不斷變暗，且逐漸向紅、黃色轉(zhuǎn)變[38]。與未處理的鮮姜片相比，處理后的姜片總色差△E無(wú)顯著差異（P>0.05），從感官上生姜片經(jīng)等離子體處理后的顏色沒(méi)有顯著的變化。另外，因?yàn)楸疚膽?yīng)用的低溫等離子體處理儀是在大氣壓100 Pa 以下進(jìn)行的，生姜切片表面的水分會(huì)有少量的蒸發(fā)。

3 結(jié)論

本文研究了低溫等離子體放電電源功率和處理時(shí)間對(duì)鮮切姜片表面微生物的殺菌效果，應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化殺菌處理?xiàng)l件，建立了姜片表面微生物殺菌的二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模型，并確定低溫等離子體處理的最佳條件，比較了低溫等離子體處理前、后生姜切片中的總多酚含量、總黃酮含量、姜辣素含量以及抗氧化活性的變化。結(jié)果表明：低溫等離子體放電電源功率和處理時(shí)間對(duì)生姜切片表面微生物的殺菌效果有顯著的影響，影響大小的次序?yàn)樘幚頃r(shí)間＞放電電源功率，最佳殺菌條件為：放電電源功率400 W、處理時(shí)間4.6 min。在最佳殺菌條件下處理的生姜切片較對(duì)照組的DPPH自由基清除率提高了65.32%，總多酚含量、總黃酮含量與未處理組無(wú)顯著性差異，顏色沒(méi)有顯著的變化。因此，利用低溫等離子體技術(shù)能夠?qū)ιM(jìn)行有效的殺菌，不僅可有效減少生姜片上的微生物數(shù)量，且對(duì)其品質(zhì)無(wú)顯著影響，為生鮮果蔬及農(nóng)產(chǎn)品的加工和保鮮貯藏提供一種非熱殺菌方法。